LES HISTOIRES D'ÉVARISTE - Education et technologies de l

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LE BULLETIN DE L'EPI N° 60 LES HISTOIRES D'ÉVARISTE...

LES HISTOIRES D'ÉVARISTE...

Christian RELLIER

Après une brève présentation du groupe ÉVARISTE, nous tentonsde faire le point sur l'activité que nous menons depuis le début desannées 80 dans le domaine des systèmes informatisés de mesure et decommande :

- les usages pédagogiques que nous avons explorés;

- les outils matériels et logiciels qu'il a fallu créer.

Évariste qui ?

Le groupe EVARISTE (Etudes et Valorisations des Applications dela Recherche en Informatique sur les Systèmes Tutoriels d'Ensei-gnement) est composé de chercheurs et d'enseignants (du secondaire etdu supérieur) qui travaillent à la réalisation et à l'expérimentationd'ensembles logiciels et matériels éducatifs en utilisant l'informatiquepour mesurer, contrôler, représenter des phénomènes physiques afin defavoriser la démarche d'apprentissage et l'activité de modélisationmenées par les élèves.

Les travaux du groupe résultent d'une coopération étroite entre laDirection des Lycées et Collèges et le CNAM :

* le Bureau DLC-15 par des moyens en postes et heures d'ensei-gnants,

* le CNAM par un soutien scientifique et technique : FrédéricSOURDILLAT, chercheur en informatique pédagogique au labora-toire d'Informatique.

L'origine des histoires remonte aux temps préhistoriques du débutdes années 80.

Dans la mouvance des travaux des mathématiciens du CREEM 1(les imagiciels), Frédéric Sourdillat suivi par Serge Cesarano et RobertLagoutte imaginèrent la manipulation du pendule.

1 CREEM : Centre de Recherche sur l'Enseignement des Mathématiques- Département deMathématiques du Conservatoire National des Arts et Métiers- PARIS

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Christian RELLIER LE BULLETIN DE L'EPI

Vous avez pu, si vos cheveux commencent à grisonner et vos mainsà trembler, apercevoir des versions adaptées aux ordinateurs Apple II,R2E, Logabax 8022G puis TO7, MO5, TO9 et autres TO8e, et maintenantsur compatibles PC et même sur ATARI (version confidentielle que jesuis prêt à vous céder pour pas cher afin d'enrichir votre vitrine souvenirpersonelle).

Il n'existe pas encore de version sur VAX 8200 ou sur station SUN,mais cela ne saurait tarder...

Évariste quoi ?

Ces travaux représentent aujourd'hui une cinquantaine deséquences de cours, TP ou TD en Physique-Chimie, Biologie, Sciences etTechniques Industrielles et linguistique (voir les travaux de J.L.Malandain).

Les logiciels sont écrits pour les microordinateurs compatiblesIBM-PC ou IBM-PS et MACINTOSH. Ils utilisent l'interface ORPHY-GTS conçue par nos soins.

Des prototypes sur ATARI-ST sont à l'étude.

Quelques sites industriels utilisent ORPHY-GTS pour la surveil-lance et le contrôle de processus.

Évariste comment ? notre démarche :

L'essentiel de notre activité est centrée sur la visualisation entemps réel de phénomènes physiques. Pierre Nonnon 2 a imaginé leconcept de lunette cognitive pour analyser cette situation où l'on disposesimultanément du système physique, objet de l'étude sur lequel on agit etde représentations formelles graphiques dynamiques de ce phénomène.

2 Pierre NONNON, directeur du Laboratoire de Pédagogie Educationnelle, Faculté desSciences de l'Education- Université de Montréal à Montréal

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LE BULLETIN DE L'EPI LES HISTOIRES D'ÉVARISTE...

Une idée germe...

Après l'étude et la mise au point d'un premier prototype logiciel etmatériel, validé par les auteurs, une pré-série de quelques exemplairessont expérimentés dans des établissements volontaires.

Cette expérimentation de manipulations assistées par l'ordinateurrend possible la recherche de modes d'apprentissages nouveaux, enutilisant en particulier la possibilité de disposer de façon simultanée dudispositif expérimental en action et d'une représentation formelle decelui-ci.

Au delà des projets de séquences éducatives avec du matérielexpérimental, nous nous efforçons d'assurer la diffusion des équipementséprouvés, par un transfert vers le monde industriel, seul capable de lesfabriquer en série, de les distribuer et d'en assurer la maintenance.

En même temps, nous participons et organisons des formations àces nouvelles techniques pour les futurs utilisateurs, notamment parl'intermédiaire des Plans Académiques de Formation et des centresacadémiques de formation. Pour terminer ce rapide tour d'horizon,ajoutons notre participation à divers congés, séminaires ou colloques(UdP, Journées de Chamonix), des contacts et démonstrationsnombreuses en France et à l'étranger (Université de Genève, deMontréal) qui ont parfois abouti à des actions conjointes : avec l'INRP,l'UTC de Compiègne, le CUEP de Lille, l'université d'Helsinki, deMontréal...).

HISTOIRES D'APPRENTISSAGES

Quelles sont les activités pédagogiques possibles avec l'ensembleordinateur-interface ?

Le cadre de l'action peut se résumer par le schéma suivant :

Trois axes de relations sont identifiables :

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1 - apprenant <-->système physique ;

2 - apprenant <--> ordinateur ;

3 - ordinateur <--> système physique ;

Selon le contexte d'utilisation de l'ensemble ordinateur-interface-système physique, les activités d'apprentissage peuvent se décomposeren 2 grandes catégories :

- apprentissages méthodologiques de l'outil à des fins profes-sionnelles ou scientifiques : " l'Ordinateur outil de Labo ",

- apprentissages conceptuels ; l'ordinateur n'étant qu'un médiaparmi d'autres facilitant l'étude et la compréhension de phéno-mènes physiques, biologiques ou technologiques : "l'OrdinateurOutil Pédagogique au Labo et à l'Atelier".

1- Les apprentissages méthodologiques

Des activités "images" des situations industrielles

« ORDINATEUR OUTIL DE LABO »

* la mesure

L'ordinateur est utilisé commeinstrument de mesure de grandeurs physi-ques ; l'élève lit les résultats sur l'écran.

exemples : force, angle, température,intensité, tension...

L'apprentissage porte sur "l'instrument de mesure" que constituel'ordinateur, l'interface et le ou les capteurs.

Selon les sections et les niveaux d'enseignement, les activitéspourront être :

- la mise en œuvre de la chaîne de mesure, la compréhension desprincipes utilisés,

- la maîtrise de l'usage d'un logiciel et d'un équipement dédié, à desfins de Travaux Pratiques,

- la modification, le remplacement ou le choix d'un capteur et deséléments d'adaptation à l'interface...

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* la commande

L'élève utilise l'ordinateur pourcommander le système. Exemples : allu-mage de lampes, mise en rotation demoteurs...

L'apprentissage portera ici sur les concepts liés à la commande deprocédés par des moyens numériques et aux problèmes d'adaptationélectrique entre l'interface et le dispositif commandé (ajustement desplages de tension, puissance commandée, isolation galvanique, temps deréaction...).

* le contrôle (commande automatique) (robotique)

Le fonctionnement de l'ensembleordinateur-système physique est quasi-autonome : l'élève observe le déroulementdes opérations ; il agit sur le systèmephysique.

Exemples : commandes de feux de carrefours, asservissement devitesse d'un moteur, régulation de température, commande d'une grue,gestion d'un GRAFCET...

Etudes et applications sur les principes de régulation,d'asservissement, de supervision... Le domaine est très vaste et concernetous les niveaux de formation et toutes les sections !

* Le traitement

Les logiciels professionnels permet-tent d'exploiter les résultats enregistréssous formes de tableaux ; d'effectuer descalculs et d'obtenir des représentationsgraphiques de ces traitements.

Certains logiciels (de type "intégrés" : FrameWork, EXCEL...)permettent mémé le dialogue direct avec le système de contrôle.

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* L'apprentissage des méthodes Informatiques

L'interface et le système physiqueservent de prétexte et d'objectif de traite-ment au mémé titre que l'imprimante, lesfichiers ou l'écran graphique.

L'étudiant apprend les principes de gestion du périphérique"interface" puis l'utilise pour l'étude des problèmes de traitementnumérique, de représentation graphique, de gestion de données surfichiers, de gestion en "temps- réel"...

Ces situations correspondent à l'évolution technologique desprocédés de mesure, de commande et de contrôle. Leur intégrations'impose de plus en plus dans l'enseignement des Sciences Expérimen-tales et Technologiques. Les réformes en cours des divers programmes deBiologie, de Physique et des sections à finalité professionnelle l'illustrentlargement.

Les matériels (interface et capteurs) que nous avons mis au pointpermettent une illustration et une mise en pratique des diversessituations énumérées ci-dessus, mémé si l'objectif initial n'a pas été celui-ci. Les logiciels REGRESSI, SPECTOR, DEMORPHY, CAPTEURS etSONDES, en particulier, sont bien adaptés à cette approche.

2 - Les apprentissages conceptuels

« ORDINATEUR OUTIL PÉDAGOGIQUE AU LABO ET ÀL'ATELIER »3

Pour les situations suivantes, le logiciel est conçu de manière àcentrer l'activité d'apprentissage sur l'étude d'un phénomène physiquepar l'étudiant. L'ordinateur et son interface ne sont qu'un des moyens del'étude ; leur utilisation doit être la plus transparente possible. Leprincipe des liaisons ordinateur- expérience est le même que précédem-ment. Les dispositifs expérimentaux peuvent-être identiques.

Le système physique d'étude peut-être simple ou complexe : unpendule pesant, une plante dégageant ou consommant de l'oxygéne, unsystème automatique de régulation de température, une chaîne defabrication...

3 Le sigle "OOPLA" n'a pas encore eu le label de la communauté scientifique!...

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* l'EAO (au sens le plus strict) et la simulation comportementale

- L'ordinateur permet la représentationgraphique, superpose les tracés, changede plans, d'échelle, recalcule à lademande... Il n'y a pas de mesuresfaites sur le système physique.

- L'ordinateur guide l'élève dans une séquence d'auto-apprentissage,adapte le cheminement des questions à sa réussite ou à seserreurs,

- Il simule une expérience, calcule, trace des modèles graphiques(sous diverses formes : chronogramme, fonctions(t)...)

* l'EXpérience Assistée par Ordinateur (ExAO) ou l'acquisition (de

données) modélisante

L'ordinateur mesure, calcule, repré-sente, superpose des résultats à lademande de l'élève qui agit, en mémétemps, sur le système physique. (notion detemps réel)

Les objectifs peuvent être :

- de dégager les paramètres pertinents à décrire par un modèle, lecomportement du système (démarche inductive : recherche de la loià partir d'expériences).

- de valider des hypothèses de comportement prédits à partir del'observation préalable (démarche hypothético-déductive).

Exemples : étude du métabolisme respiratoire (logiciel METHOR), de laphotosynthèse (PHOTOR), de la charge d'un condensateur (DECAP,CONDENS, Le Condensateur), de dipôles (EQCIEL2, Les Dipôles), desefforts sur un outil de tour, du comportement d'un circuit logique ouanalogique (FONCTIONS), du mouvement d'un pendule (PENDULOR,Le Pendule), de la mise sous tension d'une lampe à incandescence, d'untransformateur ou d'un moteur, du chant du grillon (TRANSIT), ladécomposition en série de FOURIER de grandeurs physiques mesurées(sons, signaux électriques, vibrations mécaniques : SPECTOR)...

La possibilité d'automatiser les mesures sur des temps longs(plusieurs heures à plusieurs jours) sans mobiliser systématiquementl'ordinateur ouvre aussi des perspectives d'expériences jusqu'alors

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difficilement réalisables : étude de la décharge de piles ou d'accumu-lateurs, études climatiques...

* La confrontation théorie/expérience

L'ordinateur est le lieu de confron-tation :

- d'une part, il enregistre, calcule, tracedes mesures à la demande de l'élève ;

- d'autre part, il calcule, trace un modèle théorique introduit parl'élève qui veut vérifier des hypothèses qu'il aura émises. (lemodèle est alors très souvent mathématique)

Exemples : étude de la loi du mouvement d'un chariot sur un rail,vérification des hypothèses de Kapp pour les transformateurs mono-phasés, acquisition et exploitation de données : cinétiques chimiques,courbes de pH, étude de la jonction PN, le mouvement du pendule, chuted'un corps (REGRESSI), étude des circuits logiques (FONCTIONS),visualisation en temps réel des grandeurs électriques en régimesinusoïdal (u, i, phase, puissances : FRESNEL)...

C'est autour des 2 situations précédentes que nous avons le plustravaillé et produit de séquences éducatives complètes.

* L'Apprentissage du Contrôle de processus Assisté par

Ordinateur

Dans le domaine des Systèmes auto-matisés (asservissements, Systèmesséquentiels, commandes numériques),l'informatique joue déjà un grand rôle dansle contrôle des processus (automatesprogrammables, microprocesseurs).

Elle peut apporter beaucoup pour l'apprentissage mémé de cesdomaines en renforçant la liaison élève-ordinateur à l'aide dereprésentations graphiques.

Le logiciel GRUE est une première application. Un gros travail derecherche reste à faire...

Note : cette classification s'inspire de plusieurs publications etparticulièrement de :

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- Alain Durey et Monique Schwob, "Les utilisations du Micro enSciences Physiques

- Essai de Classification" paru dans la revue Education & Infor-matique N°20, Mars/Avril 1984.

- Alain Durey, "Modélisation et simulation pour la formation", dansle Numéro spécial de Sciences et Vie Juin 84 - Le sport auquotidien.

HISTOIRE D'INTERFACES

Pour qu'un ordinateur dialogue avec un dispositif expérimental, ilfaut lui adjoindre un circuit d'interfaçage.

Structure générale

Les interfaces permettent la liaison entre le système physique(grandeurs physiques, actionneurs de tous types) et l'ordinateur(grandeurs numériques binaires).

* Du coté système physique, elles permettent la mesure de tensionsélectriques appliquées sur les entrées (état d'un capteur, vitessed'un moteur...) et la commande d'actionneurs "tout ou rien"(allumage d'une lampe, par exemple) ou analogiques (réglage de lavitesse d'un moteur, par exemple).

Lorsque la grandeur physique à mesurer ou commander n'est pasune tension électrique, il est encore nécessaire de la convertir !(adaptateur entre le capteur et l'interface...)

* Elles communiquent avec l'ordinateur selon un mode série (RS 232,boucle de courant, RS 485...) ou parallèle (bus du microprocesseurou bus parallèle de communication spécialisé type IEEE ou GPIB).

De par les besoins qu'ils doivent satisfaire (précision, immunité àl'environnement, protections sévères...), les dispositifs industriels sontchers pour un établissement d'enseignement. Il fallait proposer undispositif d'un prix accessible aux établissements scolaires (lycées,collèges), de performances acceptables et correctement protégé desmanipulations dangereuses.

C'est pourquoi le groupe EVARISTE s'est lancé dans la recherchede "l'interface" idéale !...

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Les fruits de notre recherche : ORPHY GTS

Après 2 prototypes expérimentaux (ANABIMU puis ORPHY)(ORdinateur et Systèmes PHYsiques), la recherche a abouti à laréalisation d'ORPHY GTS. (Généralisé par la Transmission Série)

Elle comporte :

* 8 entrées Analogiques, calibres de 100 mV à 5V, temps minimumentre 2 mesures : 50 ms, précision 1% ;

* 8 Sorties Binaires ;

* 2 Entrées Fronts pour la détection de transitions de niveau detension ;

* 6 Entrées Binaires (niveau 0 ou 5V) pour détecter l'état decapteurs Tout Ou Rien ;

* 1 Sortie Analogique pour commande proportionnelle et axe d'asser-vissement.

Des mots de commandes simples, un fonctionnement autonome,des possibilités de mémorisation dans l'interface (jusqu'à 7 000 mesures)et l'utilisation d'utilitaires développés par l'utilisateur et téléchargeablespermettent un éventail de manipulations très large.

Elle est commercialisée par la société MICRELEC à Coulommiers (77).

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HISTOIRE DE "BIDOUILLAGES"

Une autre facette de notre activité concerne l'adaptation ou lacréation de capteurs les plus simples possibles, faciles à mettre en œuvre,bon marché. C'est la condition nécessaire pour que les enseignantspuissent, avec un minimum d'investissement en temps et en argent,s'approprier les démarches que nous tentons de préconiser.

Cela commence souvent par un "bidouillage"...

Pour construire un pendule :

- récupérer dans une poubelle un "vieux potentiomètre",

- tailler dans la masse d'un fauteuil hors d'usage, une potence,

- faire une ailette dans un carton d'emballage,

- fixer une ficelle avec des punaises, et voilé un pendule pesantprototype !...

Pour simuler un chariot sur un rail :

- usiner un Vé dans une réglette plastique,

- récupérer du fil électrique résistant dans une couverturechauffante d'un autre age,

- bricoler un frotteur monté sur un poulie en cuivre,

- ficeler sur la poulie, une masse,

- monter l'ensemble entre deux supports,

- incliner le tout,

- faire circuler 2 ampères,

- ne respirez plus !

Ainsi sont nés 99% des projets actuellement présentés...

Comment passer du prototype construit avec des moyens "locaux" àun modèle "valise" reproductible et diffusable au meilleur prix ?

Il n'y a pas de réponse unique, chaque projet est un cas d'espèce.D'un point de vue général, il apparaît que pour aboutir à une valiseexpérimentale, plusieurs cheminements sont possibles :

- tout reconstruire à partir du capteur si rien n'existe déjà (exempledu chariot sur un rail ou de "dipôle" ou du débitmétre)

- partir de sous-ensembles du commerce, quitte à les aménager(oxymètre, thermomètre, conductimètre...)

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C'est ainsi que la collaboration avec diverses entreprises a permisde réaliser de nouveaux dispositifs : pendule, oxymètre, boîtier Dipôle ouDecap, porte-outil de tour...

POUR ALLER PLUS LOIN...

Des logiciels

L'ordinateur et son interface ne sont que matière inerte sans lelogiciel qui règle la communication entre celui-ci et le système physiqued'une part et l'utilisateur d'autre part.

Déjà cités plus haut, vous trouverez ci-dessous une listerécapitulative sommaire des logiciels issus de nos cerveaux farfelus etqu'il vous est possible d'acquérir ou d'emprunter.

CNAM-EVARISTE (prêts pour expérimentation, à la date de parution)

pour MACINTOSH : (de tous poils)

MATHILDE : acquisition de données et visualisation en tempsdifféré ;

ELSA : acquisition de données et visualisation en temps réel ;

METHOR : métabolisme respiratoire chez l'homme ;

PHOTOR : étude de la photosynthèse ;

DEMORPHY : démonstrateur des fonctionnalités d'ORPHY-exploitation des données sous EXCEL ou CRICKET-GRAPH à partir desfichiers issus de DEMORPHY.

Pour PC, PS et compatibles :

EQCIEL2 : étude des dipôles électriques en courant continu ;visualisation temps réel de U et I aux bornes d'un dipôle ; tracé de ladroite de charge du générateur, étude du montage stabilisateur detension.

DECAP, CONDENS : le circuit RC en courant continu ; tracé entemps réel ; superposition de courbes ;

METHOR, PHOTOR, LEVOR : la consommation/production d'oxy-géne sous différentes formes ;

SPECTOR : décomposition en séries de Fourier de grandeursmesurées ;

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SONDES : enregistrement polyvoies sur un temps long ; visuali-sation en temps réel ou différé ; fichiers produits réutilisables partableurs ou intégrés professionnels FrameWork, Multiplan, Excel...

FRESNEL : étude en temps réel des circuits électriques en régimesinusoïdal.

FONCTIONS : approche fonctionnelle des circuits logiques etanalogiques.

RS232 : procédures et fonctions de gestion des voies séries pour"faire vous-même" en TurboPascal ou en C.

Langage & Informatique : pour PC

Le Pendule : sur l'observation, l'analyse et la modélisation desmouvements d'un pendule pesant ;

Le Condensateur : pour l'étude de la charge et de la décharge d'uncondensateur dans une résistance ;

Les Dipôles : Étude de circuits électriques en courant continu ;RLC étude du circuit oscillant RLC ; le PH ;

Cinétiques chimiques ;

La respiration (3 logiciels)

Micrelec : pour PC, PS ou Macintosh

REGRESSI : fantastique outil logiciel pour l'activité de mesure etde modélisation ;

TRANSIT : pour l'observation de phénomènes transitoires ;

PENDULOR : visualisation en temps réel de la position angulaired'un pendule pesant, dans diverses conditions d'amortissement.Excellent pour poser se poser des questions.

DEMORPHY : démonstrateur des fonctionnalités d'ORPHY :

CAPTEURS : logiciel de découverte des capteurs Micrelec.

Des Capteurs et Actionneurs

Le fruit de notre réflexion s'est concrétisé par l'inscription aucatalogue JEULIN et MICRELEC de divers ensembles matériels. Pourplus d'information, contactez ces sociétés.

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Des publications

- Les réunions nationales biannuelles de l'UDP sur le sujet :Poitiers 84, Nancy 86, Grenoble 88, Toulouse 90 ont fait l'objet depublications : "informatique et pédagogie des Sciences Physiques" UdP-INRP ;

- D'autres ouvrages également publiés par l'UdP :

Acquisition de données avec l'ordinateur UdP 1987 ; Cours et TP dePhysique et chimie avec ordinateur, Udp-INRP 1987 ;

- des articles dans les bulletins de l'UdP ;

- Quelques articles dans les bulletins de l'EPI ;

- Les actes des 5ème, 7ème et 9ème journées nationales de synthèse etd'études "Ordinateur Outil pédagogique au laboratoire et à l'atelier"EVARISTE-CNAM Paris 1987, 1988 et 1989 ;

- Les actes des Journées Internationales sur l'Éducation Scientifique deChamonix depuis 1979, UER de Didactique des Disciplines, 2 placeJussieu 75005 PARIS ;

- le manuel de Physique Appliquée, classe de terminale F1, CollectionMerat-Moreau - édition Nathan ;

- le manuel de Biologie de terminale Videaud-le Cloarec et All.

A voir dans votre région

La caravane UGAP présente de Mars à Juin 90 un ensembled'interfaces et de logiciels du commerce.

Cela vous a-t-il décidé à rejoindre notre caste ? Vous avez envie devous créer de nouveaux problèmes ? Nous sommes prêts à répondre à vosdemandes dans la mesure de nos possibilités...

Pour nous contacter :

Groupe EVARISTE

Laboratoire d'Informatique du CNAM

292 rue Saint Martin

74141 PARIS cedex 03

tel : (16 1) 40 27 20 72

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